Теоретические основы осаждения сульфидов

Катионы многих элементов (кроме s¹- и s²-элементов) образуют малорастворимые сульфиды. Сульфиды могут быть получены при действии на соли металлов сероводорода или сульфидов аммония и щелочных металлов. Растворимость сульфидов закономерно уменьшается по группам сверху вниз (для p-элементов) и периодам слева направо (для d-элементов).

Осаждение сульфидов сероводородом включает ряд стадий, каждая из которых характеризуется своей константой равновесия:

H₂S_(г) ↔ H₂S_(ж);

H₂S ↔ HS^– + H⁺;

HS^– ↔ S^2– + H⁺;

M²⁺ + S^2– ↔ MS_(т).

Суммарная константа равновесия (после ряда преобразований):

Отсюда следует, что осаждение сульфидов типа MS сероводородом определяется значением ПР, которое должно быть меньше 10^–21.

Осаждение сульфидов под действием сульфида натрия или сульфида аммония осложняется конкурирующими реакциями гидролиза:

S^2– + H₂O ↔ HS^– +OH^– (если осадитель – Na₂S);

NH₄⁺ + S^2– + H₂O ↔ NH₄OH + HS^– (если осадитель – (NH₄)₂S).

Расчеты показывают, что в этом случае могут осаждаться только те сульфиды типа MS, которые имеют ПР<10^–8.

На полноту и возможность осаждения сульфидов большое влияние оказывает рН среды. Сульфид-ионы в растворе могут существовать в различных формах: S^2–, HS^–, H₂S, причем концентрация каждой формы зависит от значения рН. В кислой среде преобладают протонированные формы HS^– и H₂S, а в щелочной – ионы S^2–. В реакции осаждения принимают участие только ионы S^2–, доля которых в кислой среде уменьшается. Так, при подкислении раствора H₂S 0,3 М раствором HCl концентрация сульфид-ионов резко понижается (примерно в 12·10⁶ раз).

Расчёты показывают, что в сильных кислотах растворимы сульфиды с ПР >> 10^–20, а в избытке сильных кислот – с ПР >> 10^–24.

Групповым реагентом для катионов III аналитической группы является сульфид аммония (NH₄)₂S. Эта соль образована слабой кислотой и слабым основанием и в водной среде имеет слабощелочную среду. Поэтому состав осадков, которые образуют катионы III аналитической группы, может быть различным в зависимости от того, сульфиды или гидроксиды соответствующих катионов менее растворимы. Так, катионы Al³⁺ и Cr³⁺ осаждаются в виде гидроксидов металлов. Катионы Mn²⁺, Fe²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Fe³⁺, Zn²⁺ образуют сульфиды. Осадки растворимы в кислотах (2 н. HNO₃).

Оптимальные условия осаждения катионов III группы

Осаждение катионов III группы групповым реагентом (NH₄)₂S надо проводить:

а) в присутствии NH₄OН и NH₄Cl (аммиачного буфера);

б) при значении рН» 9;

в) из горячего раствора.

Эти условия осаждения являются оптимальными и создаются с целью полного отделения катионов III группы от катионов I и II групп.

Присутствие NH₄OН необходимо для:

─ нейтрализации кислоты, которая образуется за счёт гидролиза солей катионов III группы;

─ подавления гидролиза группового реагента (NH₄)₂S;

─ создания буферного раствора с рН» 9.

Присутствие NH₄Cl необходимо для:

─ создания буферного раствора с рН» 9;

─ удержания ионов Mg²⁺ в растворе (препятствует образованию малорастворимого Mg(OH)₂, как описано выше);

─ коагуляции коллоидных растворов сульфидов.

Роль значения рН:

а) при рН < 9 сульфиды катионов III группы и гидроксиды алюминия (III) и хрома (III) осаждаются неполно;

б) при рН > 9 ионы Mg²⁺ осаждаются в виде гидроксида Mg(OH)₂ и остаются в осадке вместе с катионами III группы, а амфотерные гидроксиды Al(OH)₃ и Cr(OH)₃ растворяются, в результате чего алюминий (III) и хром (III) остаются в растворе вместе с катионами
I и II групп.

Таким образом, необходимо проводить осаждение в узком интервале значений рН, поддерживая кислотность среды с помощью аммиачного буферного раствора.

Нагревание необходимо для коагуляции коллоидных растворов сульфидов.

Систематический ход анализа катионов III группы

Реакции катионов III аналитической группы отличаются бóльшим разнообразием и сложностью, чем реакции катионов I и II аналитических групп, поэтому разработаны различные методы систематического анализа смеси катионов III группы:

а) пероксидный (для разделения используют избыток NаОH в присутствии Н₂О₂);

б) аммиачный (NН₄ОH в присутствии солей аммония);

в) щелочной (избыток NаОH при нагревании);

г) ацетатный (СН₃СООNа при нагревании).

Эти методы отличаются друг от друга способом первоначального разделения ионов внутри группы. Например, разделение с применением Н₂О₂ и избытка NаОН основано на различных окислительно-восстановительных свойствах катионов III группы и амфотерном характере гидроксидов Al(OH)₃ и Zn(OH)₂. В ходе разделения все ионы вступают в реакцию со щёлочью, а ионы Fe²⁺, Cr³⁺ и Mn²⁺ ещё и окисляются пероксидом водорода Н₂О₂. При этом взаимодействие с каждым из реагентов протекает по-разному. Так, катионы Fe²⁺ и Mn²⁺ окисляются до катионов с бóльшим зарядом и осаждаются в виде гидроксидов, а катион Cr³⁺ переходит в анионную форму CrО₄^2– и остаётся в растворе. Гидроксиды Al(OH)₃ и Zn(OH)₂ растворяются в избытке щёлочи, образуя ионы [Zn(OH)₄]^2– и [Al(OH)₆]^3–, и по этой причине остаются в растворе, в то время как другие катионы выпадают в осадок в виде малорастворимых гидроксидов.

Таким образом, систематический ход анализа катионов III группы с применением пероксидного метода включает следующие операции:

1) обнаружение ионов Fe²⁺, Fe³⁺ и Zn²⁺ с помощью специфических реакций в предварительных испытаниях;

2) отделение ионов Al³⁺, Cr³⁺ и Zn²⁺ от ионов Fe²⁺, Fe³⁺ и Мn²⁺;

3) обнаружение иона Cr³⁺;

4) обнаружение иона Al³⁺;

5) маскирование иона Fe³⁺ (если обнаружены ионы Fe^{2 +} и/или ионы Fe³⁺);

6) обнаружение иона Мn²⁺.

Схема разделения ионов внутри III аналитической группы при проведении систематического анализа представлена на рис. 4.

Раствор: Fe^2+ Fe^3+ Mn^2+ Al^3+ Cr^3+ Zn^2+

+ NаОН, Н2О2

 

 

Раствор: [Zn(OH)4]^2– [Al(OH)6]^3– CrО4^2–

Осадок: Fe(OH)3↓ МnО(OH)2↓

Рис. 4. Схема разделения катионов III группы

Систематический ход анализа катионов I–III групп

Катионы III группы мешают обнаружению катионов II и I групп, поскольку они образуют осадки с Na₂HPO₄, (NH₄)₂CO₃, (NH₄)₂C₂O₄ и другими реагентами, применяемыми при анализе катионов II и
I групп. Следовательно, при проведении систематического анализа смеси катионов I–III аналитических групп необходимо в первую очередь отделить катионы III группы действием группового реагента (NH₄)₂S.

Полученный осадок сульфидов и гидроксидов катионов III группы растворяют и далее работают с ним, как описано на с. 34, а раствор, содержащий катионы I–II групп, используют для дальнейшего разделения ионов на группы, как описано на с. 26.

Раствор: NH4^+ Na^+ К^+ Mg^2+ Са^2+ Ва^2+ Fe^2+ Fe^3+ Mn^2+ Al^3+ Cr^3+ Zn^2+

+ (NH4)2S

 

Раствор (I и II группы): NH4^+ Na^+ К^+ Mg^2+ Са^2+ Ва^2+		Осадок (III группа): FeS¯ Fe2S3¯ MnS¯ ZnS¯ Al(OH)3↓ Cr(OH)3↓
			+НNО3

 

 

Раствор (III группа): Fe^2+ Fe^3+ Mn^2+ Al^3+ Cr^3+ Zn^2+

Рис. 5. Схема разделения катионов I–III групп

(при отсутствии в растворе фосфат-ионов PO₄^3–)

Схема разделения ионов I, II и III аналитических групп при проведении систематического анализа смеси катионов I–III групп (если в растворе отсутствуют фосфат-ионы PO₄^3–) представлена на рис. 5.

 

Систематический ход анализа катионов I–III групп
в присутствии фосфат-ионов PO₄^3–

Присутствие в растворе фосфат-ионов PO₄^3– мешает отделению катионов III группы от катионов II и I групп.

Фосфаты катионов II группы и Mg²⁺ не растворимы в воде, но растворимы в кислотах. Таким образом, если анализируемая проба катионов I–III групп имеет кислую реакцию среды, то даже при наличии в ней фосфатов осадок не образуется. Однако для обеспечения оптимальных условий осаждения катионов III группы групповым реагентом (NH₄)₂S необходимо создать щелочную среду. При этом фосфаты катионов II группы и Mg²⁺ выпадают в осадок и остаются в нем вместе с сульфидами и гидроксидами катионов III группы.

Следовательно, при проведении систематического анализа смеси катионов I–III аналитических групп в присутствии фосфат-ионов PO₄^3– становится невозможным отделить катионы III группы действием группового реагента (NH₄)₂S. Чтобы провести такое разделение, необходимо сначала удалить ионы PO₄^3–. Для этого существует ряд способов. Все они основаны на осаждении ионов PO₄^3– под действием различных реагентов:

а) FeCl₃ в присутствии ацетатного буфера (ацетатный метод);

б) SnCl₄ в среде HCl;

в) нитрата циркония (IV) в среде HCl;

г) ионов висмута (III) в среде HNO₃ и др.

Например, систематический ход анализа смеси катионов I–III аналитических групп в присутствии ионов PO₄^3– ацетатным методом (см. рис. 6) предполагает выполнение следующих операций в строго определённой последовательности:

1) обнаружение ионов Fe²⁺ и Fe³⁺ в предварительных испытаниях;

2) окисление Fe²⁺ до Fe³⁺ (если обнаружен);

3) осаждение иона PO₄^3–;

4) разделение железа (III), хрома (III) и алюминия (III), которые находятся в осадке в виде FePO₄ и основных ацетатов;

5) обнаружение хрома (III) и алюминия (III);

6) анализ раствора, содержащего остальные катионы III группы вместе с катионами II и I групп (по обычной схеме систематического анализа).

Раствор: NH4^+ Na^+ К^+ Mg^2+ Са^2+ Ва^2+ Fe^2+ Fe^3+ Mn^2+ Al^3+ Cr^3+ Zn^2+ PO4^3–

+ HNО3

 

Раствор: NH4^+ Na^+ К^+ Mg^2+ Са^2+ Ва^2+ Fe^3+ Mn^2+ Al^3+ Cr^3+ Zn^2+ PO4^3–

+ FeCl3, ацетатный буфер

 

Раствор: NH4^+ Na^+ К^+ Mg^2+ Са^2+ Ва^2+ Mn^2+ Zn^2+		Осадок: FePO4¯ Основные ацетаты Fe^3+, Аl^3+, Cr^3+
			+ NаОН, Н2О2

 

 

Раствор: [Al(OH)6]^3– CrО4^2–

Осадок: FePO4¯

Рис. 6. Схема разделения катионов I–III групп

(в присутствии фосфат-ионов PO₄^3–)

 

Лабораторная работа №2

«Анализ смеси катионов первой и второй группы».

Цель работы: провести качественный анализ раствора, в котором возможно присутствие ионов NH₄⁺, K⁺, Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Ba²⁺.

Подготовка к выполнению работы и проведение анализа.

1.Ознакомиться с техникой выполнения основных операций (см. приложение);

2. Изучить основные аналитические реакции указанных ионов, используя растворы их солей;

3. Ознакомиться с рекомендациями к выполнению контрольных анализов (см. приложение);

4. Получить у лаборантов контрольный (анализируемый) раствор и выполнить лабораторную работу в соответствии со схемой (см. схему 1,2) анализа и приведенным ниже ходом выполнения. Результаты анализа представить в виде таблицы

Таблица 1.

ион	Реагент, условия проведения реакции	Аналитическая реакция	Аналитический эффект
Ba^2+	K2Cr2O7 в присутствии ацетатного буфера при нагревании	2Ba^2++K2Cr2O7+H2O= 2BaCrO4 ↓+2K^++2H^+	Выпал желтый кристаллический осадок

Анализируемый раствор делят на три части: с одной проводят предварительные испытания, другую подвергают систематическому анализу, третью оставляют для проверки полученных результатов.

Предварительные испытания

(проводят с отдельными порциями исследуемого раствора)

Реакция среды.

Определяют рН раствора с помощью универсальной бумаги.

1.2. Обнаружение ионов NH₄⁺.

Определение проводят, действуя на исследуемый раствор раствором щелочи NaOH или КОН при нагревании:

NH₄⁺ + OH^– → NH₃↑ + H₂O.

Определение проводят в «газовой камере», состоящей из двух часовых стекол одинакового размера. На нижнее стекло помещают 1-2 капли анализируемого раствора, 1-2 капли 1н раствора NaOH и накрывают другим стеклом, на вогнутую поверхность которого прикреплен кусочек влажной индикаторной бумаги. Для ускарения реакции камеру слегка нагревают на водяной бане. Посинение индикаторной бумаги свидетельствует о наличии в растворе ионов NH₄⁺

1.3. Проба на присутствие ионов К⁺ (выполняется толь в случае отсутствия ионов NH₄⁺).

Если проба 1.2 дала отрицательный результат, на предметное стекло помещают каплю исследуемого раствора и нагревают его на плитке до появления каемочки сухой соли.

На некотором расстоянии от нее наносят каплю Na₂PbCu(NO₂)₆ (реактив для обнаружения ионов К⁺). Реактив осторожно подводят к сухой каемочке соли и через 2-3 мин рассматривают выпавшие кристаллы под микроскопом. Форма кристаллов показана на рисунке в учебнике.

Если в растворе присутствуют ионы К⁺, то образуются кубические кристаллы К₂PbCu(NO₂)₆ черного или коричневого цвета. Ионы NH₄⁺ образуют такие же кристаллы и поэтому мешают реакции. При выполнении этой реакции полезно провести холостой опыт. Выполнение холостого опыта. При проведении реакции обнаружения полезно сравнивать наблюдаемый эффект с результатом холостого опыта, в котором использовались все те же реагенты в тех же условиях, что и в основном, но в отсутствии определяемого иона. Заключения о наличии иона в системе можно делать лишь в то случае, если наблюдаемый эффект реакции гораздо интенсивнее, чем в холостом опыте.

Систематический ход анализа